趙海燕

(蘇州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 蘇州 21500)

0 引 言

電梯作為特種設(shè)備與我們?nèi)粘Ｉ钫找婷芮邢嚓P(guān)，因此對(duì)于電梯的安全性能要求也越來(lái)越高。安全鉗制動(dòng)系統(tǒng)作為電梯安全的重要子系統(tǒng)，其安全鉗制動(dòng)系統(tǒng)的有效動(dòng)作是重中之重。在實(shí)際工程中，安全鉗觸發(fā)機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作、不動(dòng)作的情況時(shí)有發(fā)生，原因各有不同，其中安全鉗觸發(fā)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)占有很大一部分原因。

筆者以某一企業(yè)實(shí)際產(chǎn)品為模型，探討安全鉗提拉機(jī)構(gòu)提拉力與提升高度，彈簧產(chǎn)生的拉力因素之間的關(guān)系，借助Excel的VBA工具，篩選出不同提高度與不同彈簧拉力之間最佳的配合數(shù)據(jù)。

1 限速器安全鉗工作原理

圖1為電梯限速器(傳統(tǒng)型)系統(tǒng)原理圖[1]，圖中：Jgov.為限速器輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jten.為張緊輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Mrope.為限速器鋼絲繩質(zhì)量；Fgov.為限速器系統(tǒng)慣性力；a.電梯正常起動(dòng)、制停加速度。限速器安裝在井道頂部或機(jī)房中，通過鋼絲繩與轎廂的安全鉗觸發(fā)機(jī)構(gòu)聯(lián)接。當(dāng)電梯速度超過額定速度115%時(shí)[2]，限速器發(fā)出電信號(hào)，切斷電梯安全回路，曳引機(jī)斷電抱閘，致使電梯減速，若電梯速度繼續(xù)升高，觸發(fā)限速器機(jī)械動(dòng)作，夾緊鋼絲繩。當(dāng)轎廂下降時(shí)，鋼絲繩拉動(dòng)安全鉗觸發(fā)機(jī)構(gòu)運(yùn)作，使安全鉗對(duì)電梯導(dǎo)軌產(chǎn)生摩擦力，將轎廂迅速制動(dòng)在導(dǎo)軌上，電梯轎廂停止運(yùn)動(dòng)。電梯的張緊裝置(安裝于電梯井道底部)提供鋼絲繩張力，保證限速器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 電梯限速器系統(tǒng)原理圖

圖2為某公司安全鉗的提拉機(jī)構(gòu)模型[3]，圖示為下置式提拉機(jī)構(gòu)，轎托是用來(lái)安裝轎廂的托架；成型角鋼用來(lái)連接轎架直梁和安裝彈簧；旋轉(zhuǎn)桿與安全鉗鍥塊、限速器鋼絲繩、聯(lián)動(dòng)桿連接。限速器機(jī)械動(dòng)作時(shí)，鋼絲繩拉動(dòng)旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)桿帶動(dòng)安全鉗鍥塊，夾緊電梯導(dǎo)軌。聯(lián)動(dòng)桿是為了保證左右兩個(gè)安全鉗動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，確保轎廂兩側(cè)的安全鉗同步夾緊電梯導(dǎo)軌。彈簧是為了提供反作用力，電梯正常起停時(shí)不致于觸發(fā)安全鉗提拉機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作，引發(fā)安全事故。

圖2 安全鉗提拉機(jī)構(gòu)

2 安全鉗提拉機(jī)構(gòu)計(jì)算

轎廂正常起動(dòng)制停時(shí)，安全鉗提拉機(jī)構(gòu)能保證不產(chǎn)生誤動(dòng)作，這個(gè)需要安全鉗提拉機(jī)構(gòu)提供反制限速器系統(tǒng)的慣性力。如圖1(b)，Jgov為限速器輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Jten為張緊輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Mrope為限速器鋼絲繩質(zhì)量，此數(shù)據(jù)與電梯的提升高度相關(guān)，R為限速器輪和張緊裝置輪的半徑，此兩輪半徑相等。Fgov為限速器系統(tǒng)慣性力，由此可得下列等式[4]：

(1)

關(guān)于電梯正常起動(dòng)、制停加速度a的取值，大多數(shù)電梯公司取0.5～0.6 g，但設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)留有一定安全余量，一般最大值可為0.8 g，因此計(jì)算時(shí)可取a為0.8 g。

限速器鋼絲繩質(zhì)量Mrope與電梯的提升高度相關(guān)，同時(shí)與電梯井道的頂層高度與底坑深度亦有關(guān)聯(lián)：

Mrope=2×(R+K+S+2πR)×ρrope

(2)

式中：R為電梯的提升高度；K為電梯井道的頂層高度S為電梯井道的底坑深度；ρrope為鋼絲繩密度。

圖3所示為安全鉗提拉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，初始狀態(tài)時(shí)，旋轉(zhuǎn)桿角度α為17.06°，安全鉗動(dòng)作時(shí)，旋轉(zhuǎn)桿角度α為5.13°。

圖3 提拉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

單個(gè)彈簧在初始狀態(tài)產(chǎn)生的垂直方向的拉力為Fspring1=41.3 N，安全鉗動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的垂直方向拉力為Fspring2=101.4 N(此處因涉及到彈簧安裝角度、多個(gè)零件尺寸及彈簧剛度等參數(shù)，略過計(jì)算過程直接引用結(jié)果數(shù)據(jù))。

單個(gè)安全鉗鍥塊的質(zhì)量Msafety=2.44 kg，提拉機(jī)構(gòu)摩擦力Ffr=40 N，此值在限速器鋼線繩連接處測(cè)量，方向?yàn)榇怪狈较?。此值?huì)因聯(lián)動(dòng)桿長(zhǎng)短有少許變化，但對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)影響較小，可以忽略不計(jì)。

根據(jù)圖4旋轉(zhuǎn)桿所示尺寸，可以得到限速器鋼絲繩位置的拉力為：

圖4 旋轉(zhuǎn)桿尺寸圖

Fpull1=(2×Fspring1×171×cosα+2×Msafety×244.3×cosα×a)÷(70×cosα)+Ffr

(3)

式中：Fpull1為限速器鋼絲繩拉力；Fspring1為彈簧在初始狀態(tài)產(chǎn)生的拉力；Msafety為單個(gè)安全鉗鍥塊的質(zhì)量；Ffr為摩擦力；α為旋轉(zhuǎn)桿角度。

此外，安全鉗鍥塊作用在旋轉(zhuǎn)桿上點(diǎn)距旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)中心線距離為244.3 mm。

同樣，彈簧在安全鉗動(dòng)作時(shí)的拉力、安全鉗鍥塊、摩擦力折算到限速器鋼絲繩位置的力為：

Fpull2=(2×Fspring2×171×cosα+2×Msafety×241.5×cosα×a)÷(70×cosα)+Ffr

(4)

此時(shí)，安全鉗鍥塊作用在旋轉(zhuǎn)桿上點(diǎn)距旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)中心線距離為241.5 mm。

圖5 旋轉(zhuǎn)桿受力圖

查詢限速器產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可得其最小提拉力PTF為1 820 N。

3 安全鉗提拉機(jī)構(gòu)驗(yàn)證

在國(guó)標(biāo)[5]中規(guī)定：限速器動(dòng)作時(shí)，限速器繩的張力不得小于以下兩個(gè)值的較大值：①安全鉗起作用所需力的兩倍；②300 N。

因此，安全鉗提拉機(jī)構(gòu)合格的條件必須符合兩個(gè)條件：限速器慣性力Fgov

表1 計(jì)算數(shù)據(jù)

限速器慣性力Fgov因與提升高度R密切相關(guān)，在其它參數(shù)不變的情況下(其它數(shù)據(jù)參見表1)，R從3 m到140 m，計(jì)算不同R所對(duì)應(yīng)的Fgov。由圖6可知，隨著提升高度R的增加，限速器慣性力Fgov亦增加，提升高度127 m其對(duì)應(yīng)的限速器慣性力Fgov為328.1 N，已大于Fpull1，說(shuō)明此安全鉗提拉機(jī)構(gòu)已不能克服限速器系統(tǒng)的慣性力，存在安全鉗誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)，此型安全鉗提拉機(jī)構(gòu)最大理論提升高度不能超過127 m。如果再考慮到限速器鋼絲繩的彈性等其它因素，此值還得往下調(diào)。

圖6 提升高度-Fgov

此型安全鉗提拉機(jī)構(gòu)彈簧的安裝位置是不可調(diào)整的，如果改為可調(diào)整，只需將圖2中成型角鋼彈簧安裝座由圓孔改為長(zhǎng)腰孔即可。同理，我們亦可以驗(yàn)證不同提升高度，不同彈簧調(diào)整值是否符合設(shè)計(jì)要求。此安全鉗選用彈簧的剛度是1.76 N/mm，自由長(zhǎng)度是106 mm，最大拉伸長(zhǎng)度是176 mm。Fspring1的取值范圍1.76～105.6 N，由表1可以看出，對(duì)應(yīng)的安全鉗動(dòng)作時(shí)彈簧拉力Fspring2的值比彈簧初始拉力Fspring1大60.1N(此處忽略彈簧安裝角度影響)。通過Excel VBA[6]分析計(jì)算不同提升高度與不同彈簧調(diào)整值時(shí)的彈簧初始拉力Fpull1和安全鉗動(dòng)作時(shí)彈簧拉力Fpull2，同時(shí)還得滿足限速器慣性力Fgov

圖7 為Excel VBA部分程序界面

圖8 彈簧拉長(zhǎng)與提升高度關(guān)系

據(jù)圖8可知，當(dāng)提升高度是60 m，彈簧的最小預(yù)拉伸范圍是1～51 mm。參照彈簧的技術(shù)條件：最大拉伸長(zhǎng)度是176～106=70 mm，彈簧的最小拉伸長(zhǎng)度是10 mm，安全鉗鍥塊的提升行程為50 mm，可以得到彈簧最小預(yù)拉伸長(zhǎng)度為10～20 mm。這里沒有考慮到彈簧剛度誤差的影響，業(yè)者可根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品精度具體考慮。圖6與圖8的原始數(shù)據(jù)因采用Excel VBA計(jì)算，數(shù)據(jù)量太大，不便展示，僅用圖表展示部分?jǐn)?shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

安全鉗提拉機(jī)構(gòu)作為電梯重要的安全子系統(tǒng)之一，如果設(shè)計(jì)是有效的，能充分保證限速器安全鉗有效運(yùn)行，為電梯安全運(yùn)行保駕護(hù)航。文中針對(duì)安全鉗提拉機(jī)構(gòu)理論分析其受力模型，給出計(jì)算公式，同時(shí)運(yùn)用Excel VBA方法，獲取大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，取得最佳設(shè)計(jì)組合數(shù)據(jù)，給業(yè)界同仁有很好的指導(dǎo)性。針對(duì)部件計(jì)算，業(yè)者也可以依據(jù)力學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行有限元分析，計(jì)算其強(qiáng)度是否足夠，以及疲勞強(qiáng)度，借助現(xiàn)有市面上的有限元軟件，皆可以順利實(shí)現(xiàn)。